Обзор материалов для гальванических ванн

Ванны, т.е. ёмкости, содержащие рабочие растворы, в которых выполняются подготовительные, основные (процессы покрытия) и заключительные операции химической или гальванической (электрохимической) обработки поверхности деталей, являются основным видом оборудования гальванических цехов и участков.

Несмотря на чрезвычайное разнообразие применяемых ванн, к ним предъявляется ряд общих требований: герметичность, химическая инертность материала ванны к содержащемуся в ней раствору, возможность создания и поддержания заданного теплового режима; удобство и безопасность обслуживания. Различие в конструкции ванн определяется прежде всего особенностями технологического процесса, требующими подогрева или охлаждения электролита, перемешивания, качания штанг, непрерывной фильтрации, наложения различных физических факторов (ультразвука, магнитного поля, протока электролита и т.п.). Кроме того, для электрохимических ванн необходим также подвод электрического тока требуемой полярности и силы с возможно большей равномерностью распределения тока по поверхности деталей и меньшими потерями электрического напряжения.

Применяемые в гальванических цехах ванны по способу загрузки принято разделять на две группы: ванны ручной загрузки (стационарные) и ванны с механизированной загрузкой.

1.1. Основные параметры и размеры ванн

Рис. 1.1Основные размеры ванн ручного обслуживания

Рис. 1.2 Расположение подвесочных приспособлений и змеевика по длине ванны

Расстояние между центрами соседних анодной и катодной штанг выбирают в пределах 150–300 мм в зависимости от размеров и формы покрываемых деталей (рис. 1.1). Чем меньше расстояние между катодом и анодом, тем хуже первичное распределение тока и тем больше разница в свойствах и толщине покрытия на различных участках поверхности деталей.

Для ванн ручного обслуживания при наличии одностороннего доступа к ванне их ширина ограничена возможностью человека протянуть руку для работы примерно на 800 мм. При наличии рабочих проходов с обеих сторон ванны, допускающих её двустороннее обслуживание, ширина ванны может быть больше (не более, чем вдвое). При наличии устройства для механизированного подъёма любой катодной или анодной штанги вместе с подвесками ширина ванны эргономическими критериями не лимитируется.

Высота верхнего края ванны, включая арматуру (штанги), бортовой отсос и т.п., от уровня напольных решёток или площадки обслуживания должна находиться в пределах 850–1000 мм. При необходимости установить более глубокую ванну её либо заглубляют, либо поднимают уровень напольных решёток во всем помещении (по крайней мере, на возможно большей его площади).

Длина ванны (обычно по длиной стороне ванны располагают аноды) должна быть кратной ширине подвесочного приспособления с небольшим припуском на интервалы между подвесками. Дополнительно длина ванны увеличивается на припуски для труб змеевиков и барботёров и на повышенные зазоры между крайними подвесками и торцовыми стенками ванны или трубами (в случае, если они металлические) для снижения эффекта биполярного электрода. Длина всех ванн, в которых проводятся длительные операции, одной линии должна быть одинаковой.

1.2. Конструкция ванн и материалы для их изготовления

В зависимости от назначения ванн применяются различные типы корпусов. Показанный на рис. 1.3 корпус ванны без кармана применяется для следующих технологических операций: электролитического нанесения покрытий, травления, улавливания, активирования (декапирования), пассивирования, осветления, оксидирования, окрашивания алюминия, нейтрализации, химического и электрохимического полирования, удаления некачественных покрытий, снятия шлама.

Рис. 1.3. Корпус ванны без кармана

Рис. 1.4. Корпус ванны с карманом

Корпуса ванн, предназначенных для холодной и горячей промывки, химического и электрохимического обезжиривания и травления алюминия, изготавливаются с карманом (рис. 1.4), который служит для слива верхнего сильно загрязнённого слоя жидкости. Расположение карманов допускается как с правой, так и с левой стороны корпуса ванны. Высота сливного кармана должна составлять не менее 10-20 % высоты ванны для исключения перелива жидкости из кармана обратно в ванну при погружении в неё крупногабаритных деталей.

Корпуса ванн, показанных на рис. 1.5 и 1.6, предназначены для двух- и трёхступенчатой противоточной (двух- и трёхкаскадной) промывки. Детали начинают промывать в крайней правой «грязной» секции с карманом, из которого вода сливается в канализацию, а заканчивают в левой «чистой» секции, куда поступает чистая вода для промывки из цехового водопровода.

Из «чистой» секции вода равномерно переливается через специальные перегородки в нижние части следующих секций, вытесняя в канализацию через карманы верхние более грязные слои воды. Эти перегородки устанавливаются на расстоянии 50 мм от разделительных стенок секций и несколько выше их.

В гальваническом производстве встречаются ванны, имеющие более трёх ступеней промывки. Эти ванны применяют, например, при покрытии деталей драгоценными металлами. Объясняется это тем, что при большем числе ступеней промывки в канализацию выносится (теряется) меньше драгоценного металла.

Рис. 1.5. Корпус ванны двухкаскадной промывки

Рис. 1.6. Корпус ванны трёхкаскадной промывки

В ваннах многоступенчатой противоточной промывки чистая вода поступает сначала в секцию, наиболее удалённую от кармана, переливается в следующую секцию и так до тех пор, пока не попадает в карман, а из него — на очистку. Промываемые детали движутся навстречу потоку воды, т.е. сначала попадают в наиболее «грязную» секцию с карманом, потом — в следующую и так до тех пор, пока не попадут в последнюю «чистую» секцию. Эффективность применения противоточной каскадной промывки рассмотрена в главе 9.

Кроме показанных выше корпусов ванн на практике встречается целый ряд корпусов ванн другой конструкции, предназначенных в основном для промывки.

Рис. 1.7. Корпус трёхсекционной ванны двухкаскадной промывки

На рис. 1.7 показан корпус трёхсекционной ванны двухкаскадной промывки для случая, когда в одном корпусе размещены две ванны двухкаскадной промывки в холодной воде после двух технологических операций. Общей для обеих ванн в таком корпусе является средняя «чистая» секция, в которую подается вода из цехового водопровода. Из средней секции вода равномерно переливается через перегородки в нижние части крайних секций, вытесняя в канализацию через карманы верхние более грязные слои воды. Трёхсекционная ванна двухкаскадной промывки устанавливается между технологическими ваннами, после обработки в которых детали промываются в этой промывной ванне. Детали из технологических ванн, расположенных слева и справа от трёхсекционной ванны двухкаскадной промывки поступают сначала в крайние секции с более грязной водой, а затем — в среднюю секцию. Применение таких ванн промывки экономит производственную площадь, сокращает расход конструкционных материалов, упрощает схемы подвода воды и сжатого воздуха.

Недостатком таких корпусов ванн является их громоздкость. Это вызывает ряд проблем при их изготовлении, монтаже или демонтаже. Для устранения этого недостатка корпус трёхсекционной ванны двухкаскадной промывки изготавливают составным. На рис.1.8 показана такая система, состоящая из двух ванн промывки, соединённых собой трубами. При установке справа или слева ещё одной ванны промывки с карманом можно получить трёхсекционную ванну противоточной каскадной промывки. Перелив воды из правой «чистой» секции в левые с более грязной водой осуществляется через карманы по трубам аналогично схеме сообщающихся сосудов. Такие ванны занимают в линии больше места, так как в этом случае между секциями размещается верхняя отбортовка и карманы, однако преимущества таких корпусов очевидны.

Рис. 1.8. Схема соединения корпусов ванн промывки

Если слив промывной воды из ванны осуществляется сверху ванны, то залив воды должен производиться в нижнюю часть ванны. В этом случае наливную трубу для подачи воды опускают в ванну так, чтобы нижний конец трубы не доходил до дна ванны примерно на 50-100 мм, а верхняя часть трубы выше уровня воды заканчивалась воронкой, в которую вода должна течь из водопроводного крана свободной струей (рис. 1.9 а, б).

Рис. 1.9. Способы наполнения и слива воды в промывных ваннах

Опускать трубу водопровода без разрыва струи над воронкой нельзя из опасения засасывания промывной воды в общий водопровод в случае падения в нём напора. Если промывная вода сливается из нижней части ванны, то наливают воду сверху свободной струей из водопроводного крана (рис. 1.9 в, г).

Корпуса электролитических ванн, подключенных к источникам питания постоянного тока, во избежание утечки тока, а также для защиты от блуждающих токов следует устанавливать на изолирующие опоры из фарфора. Марка изолятора — СН-6 (изоляторы опорные внутренней установки). Корпуса остальных ванн устанавливают на металлические опоры.

Дно корпуса должно иметь уклон 1:100 или 1:50 в сторону патрубка донного слива. Для уменьшения потери полезной высоты в ваннах длиной 2 м и более дно корпуса делают с уклоном 1:100.

Стенки ванн, в которых рабочая температура растворов превышает 60 °С, для уменьшения потерь тепла изолируют с помощью минеральной ваты и закрывают стальными листами. Дно ванны и карманы теплоизоляции не имеют. При наличии на боковых стенках сливных патрубков, карманов и др. в теплоизоляции для них делаются вырезы.

Для увеличения жёсткости верхних краев боковых стенок ванн производят обвязку их по периметру уголком размером от 50×50×5 до 100×100×10 мм или швеллером высотой от 80 до 120 мм. Полученная таким образом отбортовка может служить для установки на них барботёров, нагревателей, бортовых отсосов, опор для штанг и т.п.

Корпуса ванн высотой 1250 мм и выше рекомендуется обвязывать примерно по середине высоты дополнительными поясами из швеллера для предотвращения образования «бочкообразности». Корпуса ванн длиной 2,5 м и более рекомендуется обвязывать дополнительно вертикальными стойками .

Ванны из углеродистой стали. Сталь марки Ст-3 является до сих пор достаточно распространённым материалом для изготовления ванн. Толщину стального листа для ванн объёмом менее 600 л следует брать не менее 5 мм, для ванн объёмом 600 л и более — не менее 7 мм. Внутренние стороны стенок ванн футеруют винипластом или пластикатом.

Ванны из коррозионностойкой стали. В некоторых случаях, например для химического полирования в концентрированных кислотах, необходимо делать ванны из коррозионностойкой хромоникелевой стали, которая устойчива в смеси крепких кислот, содержащей хотя бы несколько процентов азотной кислоты или иного сильного окислителя, но в отсутствии соляной или плавиковой кислот. Добавка в сталь титана предохраняет её от межкристаллитной коррозии. Для изготовления корпусов ванн обезжиривания и горячей промывки применяют без футеровки следующие стали: Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, ОХ18Н10Т, Х18Н12Т, ОХ18Н12Б, ОХ21Н15Т, ОХ17Т, Х25Т, 08Х22Н6Т. Для электрохимических ванн требуется футеровка из электроизоляционного материала.

Ванны из титана. Универсальным материалом для изготовления ванн является титан, обладающий высокой химической стойкостью во многих агрессивных средах. Срок службы титановых ванн в 5-7 раз больше, чем стальных. Высокая коррозионная стойкость и физико-механические характеристики титана позволяют уменьшить толщину стенок ванн более чем в 2 раза. Для изготовления корпусов ванн применяют титановые сплавы следующих марок: ВТ0, ОТ4—0, ВТ1, ОТ4, ВТ1—0 (ГОСТ 19807–74). Футеровка стенок ванн не требуется за исключением электролитических ванн.

Ванны из полипропилена. Полипропилен — наиболее перспективный материал, обладающий высокой химической стойкостью, износостойкостью, термостойкостью (до 130 °С без механических нагрузок), высоким сопротивлением ударным нагрузкам, удовлетворительной механической прочностью, низким водопоглощением, низкой водо- и паропроницаемостью, высокими диэлектрическими свойствами. Полипропилен устойчив к воздействию водных растворов неорганических соединений (солей) и к воздействию почти всех кислот и щелочей, даже при высокой их концентрации и температуре выше 60 °С.Только такие сильные окислители, как, например, хлорсульфоновая кислота, олеум и концентрированная азотная кислота, могут разрушить полипропилен уже при комнатной температуре. Непрерывное понижение химической стойкости полипропилена с последующим лавинообразным разрушением имеет место только в электролите для электро полирования коррозиестойких сталей при температуре 80 °С. В этом растворе аналогично ведёт себя и винипласт, но уже при температуре 60 °С. Полипропилен особенно чувствителен к воздействию света, это надо учитывать во всех областях применения продукта. Полипропилены имеют хорошую устойчивость к световому излучению видимой области спектра. Воздействие же (даже кратковременное) ультрафиолетового излучения (излучения с длиной волны 290-400 нм) и кислорода воздуха делает полипропилен хрупким и приводит к повреждению поверхности: потере блеска, растрескиванию и «мелованию» поверхности, ухудшению механических и физических свойств полимера. Этот процесс ускоряется при повышенной температуре окружающей среды.

Высокая химическая стойкость полипропилена в электролитах для нанесения покрытий дополняется тем, что он не оказывает влияния на электропроводность растворов и обладает высокой прочностью. Ванны из полипропилена, как правило, изготавливаются из блочных конструкций, уже имеющих ребра жёсткости, и поэтому не требуют дополнительной обвязки (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Общий вид ванны из полипропилена

1.3. Защита корпусов ванн

Футеровка, т.е. облицовка внутренних поверхностей металлических корпусов гальванических ванн химически стойкими материалами, выполняет двоякую роль: защищает стенки ванн от разрушения при воздействии растворов и предохраняет раствор от загрязнений продуктами растворения материала стенок. Кроме того футеровка металлической ванны, предназначенной для проведения электрохимических процессов, препятствует прохождению тока по корпусу ванны (рис. 1.11). В отсутствии футеровки электрическое поле искажается. Часть тока протекает по стенкам ванны в силу значительно большей электропроводности металла по сравнению с электролитом. На боковых стенках (область «а» на рис. 1.12) будет происходить осаждение металла анода, дно под деталью (область «б» на рис.1.12) будет растворяться, а покрытие на детали будет отличаться значительной неравномерностью по толщине — на нижнем крае детали покрытие будет отличаться повышенной толщиной и иметь плохое качество (подгар, губка и т.п.).

Рис. 1.5. Корпус ванны двухкаскадной промывки
Рис. 1.6. Корпус ванны трёхкаскадной промывки

Из металлических футеровочных материалов для зашиты ванн применяют листовой свинец марок С1 или С2. Свинец стоек в растворах концентрированной серной кислоты и её солей, в концентрированных щавелевой, уксусной и винной кислотах, в сернистой, хромовой, плавиковой (холодной) и фосфорной кислотах. Свинец нестоек в азотной и соляной кислотах, а также в очёнь мягкой водопроводной воде, ограниченно стоек в едких щелочах, сильно растворяется в известковой воде, содержащей 0,1 % Са(ОН)₂ при доступе кислорода.В каждом конкретном случае материал для футеровки выбирается в зависимости от агрессивности раствора, его температуры, размеров ванны и других эксплуатационных условий. Для футеровки применяют пластмассовые, металлические материалы, резину или керамические плитки. В настоящее время керамические плитки практически не применяются. Объясняется это трудоёмкой и главным образом ручной технологией нанесения футеровочного покрытия, строгими требованиями к жёсткости корпуса ванны и невозможностью защищать оборудование, имеющее не только плоские внутренние поверхности.

Свинец применяли в основном для футеровки ванн хромирования, электрополирования и глубокого анодирования алюминия. В настоящее время из-за недостаточной стойкости свинца при эксплуатации электролитов хромирования и их загрязнения соединениями свинца свинцовую футеровку заменяют на другие материалы.

Для антикоррозионной защиты ванн широко применяются полимерные материалы как в виде свободного вкладыша, так и футеровки, жёстко прикреплённой к стенкам ванн. Практика показала, что при длине ванны 6 и более метров наблюдается растрескивание жёсткого полимера при защите ванны свободным вкладышем. В этом случае наиболее приемлема конструкция футеровки с приклеенной или другим путём плотно закреплённой футеровкой на стенках ванны. Механическая прочность обеспечивается металлическим корпусом ванны, а футеровка выполняет лишь функцию защитного слоя.

Ванны длиной до 1 м можно не только футеровать свободным вкладышем, но и изготавливать целиком из полимерных материалов. При этом необходимо учитывать возможность возникновения в них температурных напряжений, а также напряжений от набухания и гидростатических нагрузок, значение которых возрастает с увеличением габаритов ванн. Особую опасность для ванн из полимерных материалов представляют случайные удары как с наружной, так и с внутренней стороны стенок и дна ванн.

Наиболее распространённый в России футеровочный материал — листовой винипласт. Он представляет собой окрашенный или неокрашенный непластифицированный твёрдый поливинилхлорид (ПВХ), изготовленный методом прессования. Винипласт стоек практически во всех растворах электролитов, применяемых в гальванотехнике, однако нестоек к действию концентрированной азотной кислоты. Большим преимуществом винипласта является то, что он легко сваривается, формуется и обрабатывается механически; это позволяет использовать его как для футеровки ванн, так и в качестве самостоятельного конструкционного материала. Прочность сварного шва достигает 80-85 % прочности основного материала. Недостатками винипласта являются его невысокая теплостойкость и низкая ударопрочность. Винипласт хрупок. При нагревании он размягчается и может принимать любую форму. Температурный интервал применения от 0 до 60 °С, при температурах ниже нуля его хрупкость возрастает, при температурах выше 60 °С винипласт размягчается.

В механических и автоматизированных линиях для футеровки ванн используют полихлорвиниловый пластикат. Он представляет собой неокрашенный пластифицированный эластичный поливинилхлорид. Пластикат устойчив во всех обычных гальванических электролитах, включая хромовый и травильный (сернокислый) при температурах до 70 °С. Перспективным для футеровки гальванических ванн является пластикат ПХ-2, который обладает высокой химической стойкостью при температурах до 90 °С, в том числе в электролитах хромирования, блестящего кислого меднения и никелирования, электрохимического и химического обезжиривания, в серной, соляной и азотной кислотах, щелочах, окиси хрома и других средах. Пластикат ПХ-2 нестоек в растворах хлористого железа и азотнокислого натрия.

Кроме несколько большей термостойкости и химической стойкости пластиката его существенным преимуществом по сравнению с винипластом является гибкость, благодаря которой устраняется нетеплопроводная воздушная прослойка между футеровкой и ванной. Эта прослойка делает неприменимой винипластовую футеровку в ваннах с обогревом пароводяной рубашкой. Кроме того, гибкость, пластичность и хорошая стойкость к истиранию позволяют применять пластикат толщиной 2 мм (против 5-7 мм винипласта), что при одинаковой стоимости единицы массы дает существенную экономию.

Полипропилен, как было уже отмечено ранее, обладает удовлетворительной механической прочностью, высоким сопротивлением ударным нагрузкам, повышенной пластичностью, инертностью к большинству химических реагентов. Преимуществом полипропилена является возможность его применения при высокой температуре, что в сочетании с другими свойствами открывает широкие перспективы использования полипропилена не только для футеровки ванн методом вкладыша, но и для изготовления другого оборудования гальванических цехов: бортовых отсосов, вентиляционных коробов, крышек к ваннам, барабанов. Полипропилен уступает по термостойкости и химической стойкости только фторопласту и пентапласту.

Бульшей теплостойкостью и химической стойкостью обладает пентапласт. Этот химически стойкий «самозатухающий» полимер обладает комплексом ценных физико-механических, теплофизических и антикоррозионных свойств. Покрытия на его основе возможно использовать в весьма агрессивных средах при температуре до 120 °С. По химической стойкости в ряду термопластов пентапласт уступает только фторопластам. Пентапласт устойчив при воздействии растворов кислот и их смесей: фосфорной и плавиковой; соляной и азотной; серной, азотной и плавиковой; соляной и плавиковой. Однако пентапласт нестоек в сильных окислителях: в дымящейся азотной кислоте при температуре кипения, в олеуме, хлорсульфоновой кислоте и т.д.

Футеровку из пентапласта применяют для защиты ванн хромирования, химического никелирования, травления, пассивирования. На ряде предприятий для химического никелирования используют ванны, изготовленные из листового пентапласта толщиной 2-3 мм и помещённые вместе с обрешеткой из полос нержавеющей стали в пароводяную рубашку.

Внедрение футеровок из пентапластовых листов ограничивается их высокой стоимостью и низкой ударопрочностью.

Для футеровки ванн можно применять такой широко известный полимерный материал, как полиэтилен. В зависимости от метода промышленного производства различают полиэтилен высокого, низкого и среднего давления. В гальванотехнике нашел применение в основном полиэтилен высокого и низкого давления. Из полиэтилена высокого давления изготавливают трубы, фитинги, клеммные коробки, барботёры. При футеровке ванн и нанесении защитного покрытия на металлические поверхности подвесочных приспособлений предпочтение отдают полиэтилену низкого давления, так как он обладает более высокой химической стойкостью и теплостойкостью. Температура размягчения полиэтилена высокого давления 80-90 °С, низкого давления 90-95 °С.

Ванны без слива достаточно просто и удобно футеровать полиэтиленовой плёнкой, предварительно сварив из неё мешок по размеру ванны. Полиэтиленовую футеровку желательно делать многослойной.

Фторопласт (политетрафторэтилен) превосходит другие пластмассы по химическим, механическим свойствам, физическим, в том числе по теплостойкости. В последние годы масштабы его применения и качественные показатели значительно повысились за счёт освоения выпуска новых типов фторопластов, которые в отличие от фторопласта широко известной марки Ф-4 обладают свойствами плавких металлов: они могут экструдироваться, отливаться под давлением, подвергаться сварке плавлением. К таким фторопластам следует отнести Ф-4МБ, Ф-10, Ф-2М, Ф-3М, Ф-26, Ф-40ЛД и др.

Для химического никелирования и электрополирования рекомендуется использовать фторопласты Ф-4МБ в виде плёночного вкладыша.

Листовой фторопласт Ф-2М целесообразно применять для футерования различных ёмкостей, гальванических и травильных ванн, а также для изготовления трубопроводов большого диаметра. Он обладает хорошими формовочными свойствами, гибкостью, ударопрочностью, прочностью при растяжении, свариваемостью. Фторопласт Ф-2М выдерживает такие агрессивные среды, как минеральные кислоты (за исключением дымящей серной кислоты), окислители (концентрированную азотную кислоты), концентрированные щелочи, галогены, углеводороды при температуре от 20 до 130 °С. Изделия из фторопласта Ф-2М могут эксплуатироваться при температурах от −70 до 140 °С.

Высокие химическая стойкость и термостойкость фторопластов позволяют изготавливать из них теплообменники для нагрева и охлаждения очень агрессивных растворов: травления нержавеющих сталей, электрополирования, электролитов хромирования, содержащих фториды, и т.д. Футерование листовым фторопластом позволяет отказаться от применения нержавеющих сталей, дорогостоящих сплавов, а также от малотехнологичных футеровок из свинца и керамических плиток.

Гуммирование — защита внутренних поверхностей стенок ванны с помощью резины — осуществляется мягкой кислотощёлочестойкой резиной. Резиновая футеровка обладает высокой химической стойкостью в растворах серной (до 60%), соляной (до 10%) и практически любой концентрации уксусной и фосфорной кислот. Химическая стойкость резины в указанных растворах до температуры 100 °С весьма высока.

Одним из недостатков гуммирования является необходимость применения клеёв, содержащих токсичные и огнеопасные растворители.

Этого недостатка лишены гуммировочные эбонитовые составы ГЭС-1 и ЭС-100Т, которые не содержат каких-либо растворителей, не требуют применения клеёв и адгезивов и позволяют получать бесшовные эбонитовые покрытия, однородные по физико-механическим и антикоррозионным свойствам. Составы представляют собой различной вязкости композиции, которые можно наносить кистью, штапелем, обливом или окунанием. Срок их хранения при комнатной температуре практически не ограничен. Покрытия гуммировочными эбонитовыми составами характеризуются низкой степенью набухания в кислотах и щелочах.

Для защиты наружных поверхностей корпусов ванн наибольшее применение находит эмаль ХВ-785 следующих групп: 7/1 — для агрессивных паров, газов, жидкостей; 7/2 — для растворов кислот; 7/3 — для растворов щелочей.

Примечание: ? — данные противоречивы, н/р — не рекомендуется